小浪底水庫(kù)橫斷面沖淤分布規(guī)律

劉博倫，楊 飛，王遠(yuǎn)見

（1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003）

1 引 言

我國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)量最多的國(guó)家，水庫(kù)淤積問題嚴(yán)重，極大地限制了水庫(kù)功能的發(fā)揮。確定泥沙在庫(kù)區(qū)不同斷面的橫向沖淤分布規(guī)律，對(duì)水庫(kù)淤積控制具有重要意義。水庫(kù)庫(kù)區(qū)的橫斷面淤積形態(tài)可以大致分為水平抬高、等厚淤積、淤槽為主以及淤灘為主4種類型［1－2］，如果考慮沖刷和平衡情景，則還包括主槽沖刷和沖淤不明顯2種常見類型。此外，實(shí)際比較水庫(kù)橫斷面時(shí)，由于前后兩次斷面測(cè)量間隔時(shí)間較長(zhǎng)，因此會(huì)形成沖淤交替后的淤積形態(tài)，如水平抬高與主槽沖刷相疊加（用水平抬高／主槽沖刷表示）。

由于各水庫(kù)的來(lái)水來(lái)沙、下墊面條件以及運(yùn)用方式等存在差異，因此各個(gè)水庫(kù)具有不同的橫斷面沖淤類型及分布。二灘水庫(kù)淤積三角洲前坡段和洲面段（頂坡段）主要為水平抬高（橫向平淤），洲面段出現(xiàn)主槽平移的斷面［3］。陸水水庫(kù)三角洲洲體位于庫(kù)區(qū)中部，庫(kù)區(qū)自上而下依次為淤灘為主、淤槽為主、等厚淤積［4］。丹江口水庫(kù)常年回水區(qū)下段和中段為等厚淤積，上段以淤槽為主，彎道處以淤灘為主［5］。至2018年汛末，三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)還未形成三角洲淤積形態(tài)，常年回水區(qū)斷面沖淤類型主要有淤槽為主和等厚淤積2種類型［6］。小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)為典型的三角洲淤積形態(tài)，隨著水庫(kù)運(yùn)用，三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn)，攔沙運(yùn)用初期（1999—2010年）庫(kù)區(qū)壩前至HH37斷面（距壩62.49 km）橫斷面沖淤類型為水平抬高，遠(yuǎn)壩段HH38斷面（距壩64.83 km）以上2006年之前橫斷面沖淤類型為水平抬高，2006年之后斷面發(fā)生沖刷［7］。目前對(duì)小浪底水庫(kù)淤積分布的分析多針對(duì)庫(kù)區(qū)的個(gè)別斷面和年份［8－9］，缺乏自水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)全庫(kù)區(qū)橫斷面沖淤類型的時(shí)空變化過程分析，更缺乏對(duì)淤積三角洲推進(jìn)過程中橫斷面沖淤類型轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。本文通過分析小浪底水庫(kù)2000—2020年汛期56個(gè)實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，利用汛前、汛后橫斷面平均河底高程的差值判別橫斷面的沖淤狀態(tài)，并結(jié)合形心相對(duì)深度判別橫斷面沖淤類型，得出小浪底水庫(kù)橫斷面沖淤類型的時(shí)空分布及轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期為合理控制庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)發(fā)展和長(zhǎng)期有效庫(kù)容的保持提供支撐。

2 研究對(duì)象

2.1 小浪底水庫(kù)

小浪底水庫(kù)大壩位于河南省洛陽(yáng)市，控制流域面積69.4萬(wàn)km2，占黃河流域面積的92.3%，控制黃河流域近100%的泥沙，庫(kù)區(qū)形態(tài)為峽谷型，平面形態(tài)上窄下寬，從壩址至三門峽水庫(kù)壩下123.41 km的庫(kù)區(qū)內(nèi)共設(shè)置有56個(gè)斷面（HH01—HH56），庫(kù)區(qū)有板澗河、西陽(yáng)河、畛水等多條支流匯入，其平面形態(tài)見圖1。

圖1 小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)平面形態(tài)

2.2 入庫(kù)水沙

圖2為小浪底水庫(kù)2000—2020年實(shí)測(cè)進(jìn)出庫(kù)水量、沙量變化過程。多年平均入庫(kù)水量為249.87億m3，沙量為2.91億t；多年平均出庫(kù)水量為261.37億m3，沙量為1.14億t。水庫(kù)運(yùn)用調(diào)節(jié)了水量在年內(nèi)的分配，汛期入庫(kù)水量占全年入庫(kù)水量的46.39%，經(jīng)過水庫(kù)調(diào)節(jié)后，汛期出庫(kù)水量占全年出庫(kù)水量的比例減小到35.94%。泥沙主要集中在汛期進(jìn)出水庫(kù)。

圖2 2000—2020年小浪底水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水沙過程

3 縱向淤積分布

小浪底水庫(kù)正式投入運(yùn)用后，至2000年10月干流呈明顯的三角洲淤積，歷年深泓線變化見圖3，隨著水庫(kù)的運(yùn)用，三角洲洲面不斷抬升，三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn)，至2020年三角洲頂點(diǎn)位于HH04斷面（距壩4.55 km）附近。

圖3 2000—2020年小浪底庫(kù)區(qū)汛后干流縱剖面（深泓線）

小浪底水庫(kù)總體處于峽谷地帶，平面形態(tài)狹長(zhǎng)彎曲，入?yún)R支流較多，大支流與干流交界處多為開闊地帶，根據(jù)此平面形態(tài)將庫(kù)區(qū)分為HH01—HH20斷面、HH20—HH38斷面和HH38—HH56斷面3段［10］。各庫(kù)段沖淤量及累計(jì)沖淤量分布見圖4和圖5，2000—2020年小浪底庫(kù)區(qū)的泥沙淤積總量為33.46億m3，主要集中在HH01—HH20斷面和HH20—HH38斷面2個(gè)庫(kù)段，淤積量分別為20.13億m3和12.10億m3。整體上看，各庫(kù)段逐年淤積速率調(diào)整均呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律，HH38—HH56斷面先快速淤積后基本保持沖淤平衡，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為2003年；HH20—HH38斷面從快速淤積到緩慢淤積的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為2006年；HH01—HH20斷面從快速淤積到緩慢淤積的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為2013年。

圖4 2000—2020年小浪底水庫(kù)不同庫(kù)段沖淤分布

圖5 2000—2020年小浪底水庫(kù)不同庫(kù)段累計(jì)沖淤分布

4 橫向淤積分布

本文按照汛前和汛后庫(kù)區(qū)地形的測(cè)量時(shí)間劃分汛期和非汛期。由于非汛期水庫(kù)來(lái)沙少、運(yùn)用水位高、橫斷面變化小，因此主要對(duì)汛期典型橫斷面的沖淤類型及分布規(guī)律進(jìn)行分析。

4.1 橫斷面沖淤類型的判別

為客觀判別橫斷面的沖淤類型，依據(jù)汛前、汛后橫斷面平均河底高程的差值判別橫斷面的沖淤狀態(tài)，并結(jié)合形心相對(duì)深度來(lái)判別橫斷面沖淤類型。

首先，把庫(kù)區(qū)橫斷面劃分為若干子斷面，計(jì)算各橫斷面汛前、汛后平均河底高程的差值ΔH，由于庫(kù)區(qū)兩岸展寬不明顯，因此用ΔH判別橫斷面沖淤狀態(tài)。王婷等［9］指出小浪底庫(kù)區(qū)HH52斷面以上庫(kù)段比降大（0.2%）、寬度小（200～250 m），河床多年沖淤不明顯。本文計(jì)算小浪底庫(kù)區(qū)2000—2020年HH53—HH56斷面汛期的ΔH，并求得均值為0.27 m，故當(dāng)｜ΔH｜≤0.27 m時(shí)斷面沖淤不明顯，ΔH＞0.27 m時(shí)斷面淤積，ΔH＜－0.27 m時(shí)斷面沖刷。

其次，文獻(xiàn)［11］利用形心相對(duì)深度Hc／H刻畫斷面形態(tài)的變化（H為特定水面高程下的斷面平均水深，Hc為斷面形心深度）。Hc計(jì)算方法如下：將特定水面高程下的橫斷面按1 m間距劃分為若干子斷面（視為矩形條），單個(gè)矩形條的0.5倍水深為形心深度，整個(gè)橫斷面的形心深度計(jì)算公式如下：

式中：hi為單個(gè)子斷面的平均水深；ΔAi為單個(gè)子斷面的面積。

為突出斷面的沖淤變化，選擇從上至下斷面開始出現(xiàn)明顯沖淤變化的節(jié)點(diǎn)高程作為特定水面高程。對(duì)比沖淤前后斷面的形心相對(duì)深度Hc／H，Hc／H增大則斷面銳化，Hc／H減小則斷面坦化。

劉九玉等［12］、李振連等［13］、婁淵知等［7］研究指出小浪底庫(kù)區(qū)壩前斷面沖淤類型為水平抬高（橫向平淤）。本文通過統(tǒng)計(jì)小浪底庫(kù)區(qū)2000—2010年HH01—HH10斷面汛期沖淤變化，得出：斷面水平抬高時(shí)，汛后Hc／H一般不超過0.54且越接近0.50淤積面越水平。

最后，結(jié)合小浪底水庫(kù)實(shí)測(cè)斷面資料，以汛期為例，按下述方法判別橫斷面沖淤類型：

（2）當(dāng)ΔH＞0.27 m時(shí)，①汛后斷面Hc／H＝0.50～0.54，橫斷面沖淤類型為水平抬高。②汛后斷面Hc／H＞0.54，橫斷面沖淤類型以淤槽為主，其中對(duì)比汛前、汛后斷面的Hc／H，若Hc／H減小，則斷面坦化，主槽淤積；若Hc／H增大，則斷面銳化，主槽淤積的同時(shí)又形成新的主槽。特別地，對(duì)于壩前斷面（HH01—HH06），當(dāng)汛后斷面Hc／H＞0.54且Hc／H增大時(shí)，橫斷面沖淤類型為水平抬高和主槽沖刷的疊加［13－14］。

（3）當(dāng)ΔH＜－0.27 m時(shí)，①汛后斷面Hc／H＝0.50～0.54，橫斷面沖淤類型為水平下降。②汛后斷面Hc／H＞0.54，橫斷面沖淤類型為主槽沖刷，其中對(duì)比汛前、汛后斷面的Hc／H，若Hc／H增大，則斷面銳化，主槽沖深；若Hc／H減小，則斷面坦化，主槽側(cè)向沖刷。

4.2 汛期典型橫斷面沖淤類型分析

從橫斷面沖淤的空間分布規(guī)律看，以三角洲頂點(diǎn)為界，分別分析前坡段和洲面段的沖淤類型。對(duì)前坡段而言，當(dāng)庫(kù)水位低于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)，前坡段未受回水影響的部分發(fā)生溯源沖刷，橫斷面沖淤類型為主槽沖刷（見圖6（a））；當(dāng)庫(kù)水位高于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)，前坡段含沙量及級(jí)配橫向分布不均勻且水流挾沙能力過飽和，前坡段發(fā)生沿程淤積，橫斷面沖淤類型以淤槽為主（見圖6（b））；靠近壩前的前坡段斷面，泥沙顆粒進(jìn)一步細(xì)化，斷面淤積主要為異重流及渾水水庫(kù)淤積，橫斷面沖淤類型為水平抬高（見圖6（c））；在壩前HH01斷面，除異重流及渾水水庫(kù)淤積導(dǎo)致的水平抬高外，水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間低水位排沙運(yùn)用會(huì)引起壩前淤積段的漏斗沖刷，橫斷面沖淤類型為水平抬高和主槽沖刷的疊加（見圖6（d））。汛期三角洲前坡段典型斷面沖淤類型判別見表1。

圖6 汛期三角洲前坡段典型斷面沖淤

表1 汛期三角洲前坡段典型斷面沖淤類型判別

在三角洲洲面段處于回水范圍內(nèi)時(shí)，水流挾沙能力過飽和，發(fā)生沿程淤積，且由于含沙量及顆粒級(jí)配橫向分布不均勻，橫斷面沖淤類型為淤槽為主（見圖7（a））；當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，由于溯源沖刷和沿程沖刷，因此橫斷面沖淤類型為主槽沖刷（見圖7（b））；隨著時(shí)間的推移，三角洲洲面段不斷向壩前延伸，受該變化影響的斷面，橫斷面沖淤類型由淤槽為主（見圖7（c））向水平抬高（見圖7（d））轉(zhuǎn)化。汛期三角洲洲面段典型斷面沖淤類型判別見表2。

圖7 汛期三角洲洲面段典型斷面沖淤

表2 汛期三角洲洲面段典型斷面沖淤類型判別

水庫(kù)庫(kù)區(qū)完全脫離回水影響的庫(kù)尾段（HH53—HH56），河道寬度?。?00～250 m）、比降大（約0.2%）［9］，橫斷面沖淤不明顯（見圖8）。汛期庫(kù)尾段典型斷面沖淤類型判別見表3。

圖8 汛期庫(kù)尾段典型斷面沖淤（HH56）

表3 汛期庫(kù)尾段典型斷面沖淤類型判別

4.3 汛期橫斷面沖淤類型變化規(guī)律

汛期小浪底庫(kù)區(qū)橫斷面沖淤類型的時(shí)空分布見圖9，隨著時(shí)間的推移三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn)，汛期庫(kù)區(qū)沖淤類型的沿程分布不同，從壩前至庫(kù)尾沖淤類型依次為水平抬高／主槽沖刷、水平抬高、淤槽為主或主槽沖刷以及沖淤不明顯。根據(jù)三角洲頂點(diǎn)及回水范圍把庫(kù)區(qū)分為三角洲前坡段回水區(qū)、三角洲前坡段回水變動(dòng)區(qū)、三角洲洲面段回水區(qū)、三角洲洲面段回水變動(dòng)區(qū)及不受回水影響段5個(gè)庫(kù)段，其中部分年份不存在三角洲前坡段回水變動(dòng)區(qū)和三角洲洲面段回水區(qū)。

圖9 2000—2020年汛期小浪底庫(kù)區(qū)橫斷面淤積形態(tài) 沿程分布（波浪線區(qū)域?yàn)榛厮儎?dòng)區(qū)）

三角洲前坡段回水區(qū)中各橫斷面沖淤類型分布隨三角洲頂點(diǎn)的變化見圖10（a）。從2000年水庫(kù)投入運(yùn)用開始，三角洲頂點(diǎn)距壩69.39 km，水平抬高及淤槽為主或主槽沖刷分別占該庫(kù)段的64.59%和35.41%。隨著時(shí)間的推移三角洲頂點(diǎn)向壩前推進(jìn)，至2006年三角洲頂點(diǎn)距壩34.80 km，該庫(kù)段橫斷面沖淤類型主要為水平抬高；至2011年三角洲頂點(diǎn)距壩16.39 km，該庫(kù)段開始出現(xiàn)水平抬高／主槽沖刷的橫斷面沖淤類型，占該庫(kù)段的14.43%；至2020年三角洲頂點(diǎn)距壩4.55 km，該庫(kù)段橫斷面沖淤類型主要為水平抬高／主槽沖刷。

圖10 5個(gè)庫(kù)段中各橫斷面沖淤類型分布隨三角洲頂點(diǎn)的變化

三角洲前坡段回水變動(dòng)區(qū)中各橫斷面沖淤類型分布隨三角洲頂點(diǎn)的變化見圖10（b）。該庫(kù)段的橫斷面沖淤類型主要為水平抬高及淤槽為主或主槽沖刷，其中2005年三角洲頂點(diǎn)距壩48.00 km，該庫(kù)段橫斷面沖淤類型主要為淤槽為主或主槽沖刷，隨著時(shí)間的推移三角洲頂點(diǎn)向壩前推進(jìn)，至2009年三角洲頂點(diǎn)距壩24.43 km，該庫(kù)段橫斷面沖淤類型主要為水平抬高。

三角洲洲面段回水區(qū)中各橫斷面沖淤類型分布隨三角洲頂點(diǎn)的變化見圖10（c）。2002年三角洲頂點(diǎn)距壩48.00 km，該庫(kù)段橫斷面沖淤類型主要為淤槽為主或主槽沖刷，隨著時(shí)間的推移三角洲頂點(diǎn)向壩前推進(jìn)，至2006年三角洲頂點(diǎn)距壩34.80 km，橫斷面沖淤類型主要為水平抬高，至2020年三角洲頂點(diǎn)距壩4.55 km，橫斷面沖淤類型主要為水平抬高／主槽沖刷。

三角洲洲面段回水變動(dòng)區(qū)中各橫斷面沖淤類型分布隨三角洲頂點(diǎn)的變化見圖10（d）。該庫(kù)段橫斷面沖淤類型主要有水平抬高、淤槽為主或主槽沖刷以及沖淤不明顯，各橫斷面沖淤類型受三角洲頂點(diǎn)變化的影響較小，其中約10%的橫斷面沖淤類型為水平抬高，約59%的橫斷面沖淤類型為淤槽為主或主槽沖刷，約31%的橫斷面沖淤類型為沖淤不明顯。

不受回水影響庫(kù)段中各橫斷面沖淤類型分布隨三角洲頂點(diǎn)的變化見圖10（e）。該庫(kù)段橫斷面沖淤類型不隨三角洲頂點(diǎn)的變化而變化，橫斷面沖淤類型主要為沖淤不明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)小浪底水庫(kù)2000—2020年實(shí)測(cè)斷面資料，對(duì)小浪底庫(kù)區(qū)橫斷面沖淤類型的沿程分布及三角洲推進(jìn)過程中橫斷面沖淤類型的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析，得到如下主要結(jié)論。

（1）由于庫(kù)區(qū)兩岸展寬不明顯，因此采用汛前、汛后橫斷面平均河底高程的差值判別橫斷面的沖淤狀態(tài)，并結(jié)合形心相對(duì)深度來(lái)判別橫斷面沖淤類型。分析表明，當(dāng)≤0.27 m時(shí)橫斷面沖淤類型為沖淤不明顯；當(dāng)ΔH＞0.27 m時(shí)，若Hc／H＝0.50～0.54則橫斷面沖淤類型為水平抬高，若Hc／H＞0.54則橫斷面沖淤類型為淤槽為主；當(dāng)ΔH＜－0.27 m時(shí)，若Hc／H＝0.50～0.54則橫斷面沖淤類型為水平下降，若Hc／H＞0.54則橫斷面沖淤類型為主槽沖刷。對(duì)于壩前斷面（HH01—HH06），當(dāng)汛后斷面Hc／H＞0.54且Hc／H增大時(shí)，橫斷面沖淤類型為水平抬高／主槽沖刷。

（2）隨著時(shí)間的推移三角洲頂點(diǎn)向壩前推進(jìn)，橫斷面沖淤類型沿程轉(zhuǎn)化，分析表明，三角洲前坡段回水區(qū)及三角洲洲面段回水區(qū)橫斷面沖淤類型由淤槽為主或主槽沖刷轉(zhuǎn)化為水平抬高最后轉(zhuǎn)化為水平抬高／主槽沖刷；三角洲前坡段回水變動(dòng)區(qū)橫斷面沖淤類型由淤槽為主或主槽沖刷轉(zhuǎn)化為水平抬高；三角洲洲面段回水變動(dòng)區(qū)及不受回水影響庫(kù)段橫斷面沖淤類型基本不受三角洲推移的影響。